【正文】 題目： 基 于 MATLAB 的電液位置伺服控制系統(tǒng)的建模與仿真研 究 信息 系 電氣自動(dòng)化技術(shù) 專業(yè) 姓名 王冬 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2021 年 9 月 21 日 ~ 2021 年 11 月 22 日 評(píng)閱意見： 成績(jī)： 指導(dǎo) 教師： （簽字） 職 務(wù)： 201 年 月 日 陽泉學(xué)院 III 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯記錄卡 信 息 系 電氣自動(dòng)化技術(shù) 專業(yè) 姓名 王冬 答 辯 內(nèi) 容 問 題 摘 要 評(píng) 議 情 況 記錄員： （簽名） 成 績(jī) 評(píng) 定 指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī) 答辯組評(píng)定成績(jī) 綜合成績(jī) 注：評(píng)定成績(jī)?yōu)?100 分制，指導(dǎo)教師為 20%，評(píng)閱教師為 30%，答辯組為 50%。20世紀(jì) 70 年代，美國(guó) MTS 公司研制出了以電液伺服系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)，將電液伺服系統(tǒng)與復(fù)雜機(jī)構(gòu)結(jié)合起來，開創(chuàng)了基于電液伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的先河。電液伺服系統(tǒng)則以其反應(yīng)快、重量輕、尺寸小及抗負(fù)載剛性大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于以上各個(gè)行業(yè)中，在其控制算法上也有了進(jìn)一步的改進(jìn)，以適應(yīng)系統(tǒng)要求。 電液位置伺服系統(tǒng)主要是用于解決位置跟隨的控制問題，其根本任務(wù)就是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被控量對(duì)給定量的及時(shí)和準(zhǔn)確跟蹤，并要具有足夠的控制精度。 本文然后通過 MATLAB軟件中的動(dòng)態(tài)仿真工具 SIMULINK建立了電液伺服控制陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ２ 系統(tǒng)仿真模型 ，通過對(duì)不同給定信號(hào)曲線的跟蹤，設(shè)計(jì)出一個(gè)優(yōu)良的 PID 控制器，表明 PID 控制器具有良好的抗干擾能位置和動(dòng)態(tài)響速度。 （ 2）建立電液 位置 伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。這里的系統(tǒng)是指廣義上的系統(tǒng)，泛指自然界的一切現(xiàn)象與過程。對(duì)于任何系統(tǒng)的研究都必須從如下三個(gè)方面來考慮： (1)實(shí)體：組成系統(tǒng)的元素、對(duì)象： (2)屬性：實(shí)體的特征： (3)活動(dòng)：系統(tǒng)由一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的變化過程。模型具有與系統(tǒng)相似的特性，可以以各種形式更深刻的反映實(shí)際系統(tǒng)的主要特征和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)更高層次上的抽象，本身就是對(duì)實(shí)體認(rèn)識(shí)的結(jié)果。而數(shù)學(xué)模型可以分為原始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。 電液伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 : 圖 指 令 單 元控 制放 大 器電 液伺 服 閥執(zhí) 行 元 件檢 測(cè) 元 件負(fù) 載 圖 見圖 ，電液控制系統(tǒng)的組成通常包括以下幾個(gè)單元 : (1)指令單元：按照系統(tǒng)的動(dòng)作要求發(fā)出相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。模型類型 靜態(tài)系統(tǒng) 模 型 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型 連續(xù)系統(tǒng)模型 離散系統(tǒng)模型 集中參數(shù) 分布參數(shù) 離散時(shí)間 數(shù)學(xué)描述 代數(shù)方程 微分方程 狀態(tài)方程 傳遞函數(shù) 偏微分方程 差分方程 離散狀態(tài)方程 概率分布排隊(duì)論 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ４ 它通常包含在計(jì)算機(jī)或控制放大器中 ，它可以是電子部件或計(jì)算機(jī)軟件。 (5)執(zhí)行元件：液壓缸或液壓馬達(dá)，液壓控制閥輸出的流量和壓力 使執(zhí)行元件的可動(dòng)部分動(dòng)作。 (7)檢測(cè)單元：用于檢測(cè)控制量的器件，通常為傳感器及其二次儀表。 電液伺服控制系統(tǒng)建模 傳遞函數(shù)分析法是研究電液伺服系統(tǒng)最經(jīng)常采用的建模方式。 由于電液激振臺(tái)是電液位置伺服控制系統(tǒng)的一種。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則是安全，可靠和高效率，具體包括： （ 1）可靠性：能保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行； （ 2）實(shí)用性：能滿足控制系統(tǒng)的各方面技術(shù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)投入運(yùn)行后維護(hù)方便； （ 3）操作性：控制系統(tǒng)的人機(jī)界面便于操作人員操作，畫面直觀，全部過程采用中文顯示； （ 4）價(jià)格：系統(tǒng)投資合理，造價(jià)盡可能低； （ 5）維護(hù)功能：系統(tǒng)故障診斷功能完善， 維護(hù)容易。目前， PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已 在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的 PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有 PID 參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(Intelligent Regulator)，其中 PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)由模擬 PID控制器和被控對(duì)象組成。 比例 (P)控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。其調(diào)節(jié)器用在控制系統(tǒng)中，會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)余差。只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。解決的 辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。下面從系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和控制精度等各方面特性來分析 PID 三參數(shù)對(duì) PID 控制品質(zhì)的影響。 Ti 越大，積分速度越快，系統(tǒng)靜差消除越快。因?yàn)?PID 控制器的微分環(huán)節(jié)只影響系統(tǒng)偏差的變化率，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前制動(dòng)，降低超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 PID 控制器參數(shù)整定的方法有很多，概括起來主要有兩大類：一是理論計(jì)算整定法，二是通過在線實(shí)驗(yàn)的工程整定法。 工程整定法。其共同點(diǎn)都是通過實(shí)驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 １１ 臨 界比例度法整定 PID 參數(shù)步驟 : (1)將調(diào)節(jié)器積分時(shí)間設(shè)定為無窮大、微分時(shí)間設(shè)定為零（即 Ti＝∞， Td＝0），比例度適當(dāng)取值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)按純比例作用投入。 衰減曲線法 衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)通常會(huì)按照 4： 1和 10： 1 兩種衰減方式進(jìn)行，兩種方法操作步驟相同，但分別適用于不同工況的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。 (4)將比例度降至計(jì)算值上，觀察運(yùn)行，適當(dāng)調(diào)整。 10： 1 衰減曲線法 PID 參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)公式 調(diào)節(jié)規(guī)律 調(diào)節(jié)器參數(shù) 比例度 δ，單位：％ 積分時(shí)間 Ti，單位： min 微分時(shí)間 Td，單位： min P δ ss PI δ ss 2Tr PID δ ss Tr Tr 穩(wěn)定邊界法整定 PID 參 數(shù) (ZN Method) (1)將積分系數(shù) KI 和微分系數(shù) KD 設(shè)為 0， KP置較小值，使系統(tǒng)投入穩(wěn)定運(yùn)行。 調(diào)節(jié)規(guī)律 調(diào)節(jié)器參數(shù) KP KI KD P PI PID 用試湊法確定 PID 控制器參數(shù) : 試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度 ,邊觀察系統(tǒng)的運(yùn)行 ,邊修改參數(shù) ,直到滿意為止。減小積分系數(shù) KI 將減少積分作用 ,有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定 ,但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。將比例系數(shù) KP 由小到大變化 ,觀察系統(tǒng)的響應(yīng) ,直至速度快 ,且有一定范圍的超調(diào)為止。反復(fù)試驗(yàn)幾次 ,直到消除靜差的速度滿意為止。 MATLAB 的特色 (1)語言簡(jiǎn)潔，編程效率高 (2)交互性好，使用方便 (3)強(qiáng)大的 繪圖能位置，便于數(shù)據(jù)可視化 (4)學(xué)科眾多、領(lǐng)域廣泛的工具箱 (5)開放性好，易于擴(kuò)充 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 １５ (6) 與 C 語言和 Fortran 語言有良好的接口 MATLAB 系統(tǒng)及工具箱 MATLAB 具有眾多工具箱，此次仿真設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用仿真工具箱 (Simulink Toolbox)，下面對(duì)仿真工具箱做簡(jiǎn)要介紹： SIMULINK 是 MATLAB 的工具箱之一，提供交互式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的圖形環(huán)境。 圖 Simulink Toolbox 工具箱 利用 SIMULINK 進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真，最大的優(yōu)點(diǎn)就是易學(xué)、易用，同時(shí)可以利用 MATLAB 提供的豐富的仿真資源。利用 SIMULINK 圖形化的環(huán)境及提供的豐富的功能模塊，用戶可以創(chuàng)建層次化的系統(tǒng)模型。 SIMULINK 內(nèi)置很多仿真的分析工具，如仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋找平衡點(diǎn)等。利用這些專用模塊庫， SIMULINK 可以方便地進(jìn)行 DSP 及通信系統(tǒng)等進(jìn)行仿真分析和原型設(shè)計(jì)。 SIMULINK 啟動(dòng)以后首先出現(xiàn)的是 SIMULINK 庫瀏覽器，如圖 所示 。圖 右側(cè)窗口即是 SIMULINK 公共模塊庫中的子庫，如 Continuous(連續(xù)模塊庫 )、 Discrete(離散模塊庫 )、 Sinks(信宿模塊庫 )、 Sources(信源模塊庫 )等。 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 １８ 圖 空的模型窗口 整個(gè)模型創(chuàng)建窗口的組成是：菜單欄，工具欄，編輯窗口和狀態(tài)欄。 電伺服位置控系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 電液伺服位置控系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 : ）（ SG ssss 82634425 10 ???????? ?? 使用 Matlab 命令繪制其根軌跡圖，在 Command Window 中輸入如下程序： num=[*10e10]。穩(wěn)定輸出不到“ 1”，誤差比較 大，故此系統(tǒng)仍未達(dá)到校正的目的，所以應(yīng)該在比例控制的基礎(chǔ)上加入積分控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。 比例控制器（ PD） 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ２１ 圖 P、 PI、 PD 控制的 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 由以上系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線跟蹤及穩(wěn)態(tài)誤差圖可知，加入微分器后系統(tǒng)的響應(yīng)曲線形狀仍是振蕩型，但震蕩次數(shù)顯著減少，并且超調(diào)量也降低了不少。 系統(tǒng)在給定不同頻率的正弦波的響應(yīng)曲線 圖 給定信號(hào)為正弦波（ f=3HZ）時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ２４ 圖 給定信號(hào)為正弦波（ f=8HZ）時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 從圖 ， ，隨著給定正弦波頻率的增大，系統(tǒng)響應(yīng)曲線的精度越來越高。 以對(duì)于電 液伺服位置控系統(tǒng)， PID控制器有較好地抗干擾能 力 。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多東西，使自己更加深入的了解了控制理論為相關(guān)知識(shí)，更好的學(xué)習(xí)了 Matlab 軟件，懂得了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，以后走 向工作崗位我將不斷努位置學(xué)習(xí)，更好的提升自己的各方面水平。我 要特別感謝我的指導(dǎo)老師 郭志堅(jiān) 老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。最后，向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地感謝！ 。對(duì)我提出的問題給予詳細(xì)的回答和具體的指導(dǎo)，并給了我許多寶貴的意見，讓我有信心一步步完成自己的設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我這三年來學(xué)習(xí)的一個(gè)檢驗(yàn)，也是我完成學(xué)業(yè)的一個(gè)標(biāo)志，但不是結(jié)束學(xué)業(yè)的標(biāo)志，因?yàn)閷W(xué)習(xí)是無止境的。滿足了該系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)性能參數(shù)的要求。 系統(tǒng)在加擾動(dòng)后的響應(yīng)曲線 圖 系統(tǒng)在 t= 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ２５ 系統(tǒng)在 t=，從圖 ，由于 PID控制器的調(diào)節(jié)作用，在